FBH-Forschung: 28.07.2016

Untersuchung des Schwellenverhaltens AlGaN-basierter Metall-Halbleiter-Metall UV-Fotodetektoren

Aufbau eines MSM Fotodetektors
Abb. 1. Aufbau eines MSM Fotodetektors.
Links Querschnittsskizze der Epitaxiestruktur. Rechts Oberflächenansicht der Elektrodengeometrie (gelb: Al0,5Ga0,5N, schwarz: Metall).
gemessene EQE-Kennlinien und simulierte Löcherstromdichte
Abb. 2. Links: Gemessene EQE-Kennlinien von Al0,5Ga0,5N/AlN FD unterschiedlicher Absorberschichtdicke tabs unter metallseitiger (FS) und substratseitiger (RS) Bestrahlung. Rechts: simulierte Löcherstromdichte im 0,5 µm dicken AlGaN-Absorber unter substratseitiger Bestrahlung im Schwellenbetrieb (- 30 V) – vgl. Ref. [1].
Skizze altes und neues Schichtdesign
Abb. 3. Links: Skizze altes und neues Schichtdesign – die Wachstumsunterbrechung ist durch Pfeile angedeutet. Rechts: Gemessene (links) und simulierte (rechts) EQE-Kennlinien von substrat-seitig bestrahlten Al0,5Ga0,5N/AlN MSM FD mit einer Absorberschichtdicke von 0,5 µm mit altem (schwarz) und neuem (rot) Schichtdesign.
SIMS-Tiefenprofile der Si-Konzentration
Abb. 4. SIMS-Tiefenprofile der Si-Konzentration in den Al0,5Ga0,5N/AlN Schichtstrukturen mit altem (schwarz) und neuem (rot) Schichtdesign – die Wachstumsunterbrechung ist durch Pfeile angedeutet.

Das AlxGa1-xN-Materialsystem ist sehr vielversprechend für die Detektion ultravioletter (UV) Strahlung, da dessen Bandlücke zwischen 3,4 eV (x=0) bis 6,2 eV (x=1) liegt. Zum einen lässt sich dadurch die obere Cut-off-Wellenlänge zwischen 365 nm und 200 nm über den Al-Gehalt in der Absorberschicht gezielt einstellen und zum anderen ist das Material prinzipiell sehr beständig gegen UV-Bestrahlung. Durch ihre einfache Bauweise erfordern Metall-Halbleiter-Metall Fotodetektoren (MSM FD) im Vergleich zu anderen FD-Typen einen nur relativ geringen Aufwand bei der Epitaxie und der Prozessierung, da neben dem planaren Design (Abb. 1a und b) keine beabsichtigte Dotierung oder ohmschen Kontakte nötig sind.

Am FBH wurden MSM FD mit einer dünnen AlGaN-Detektionsschicht auf AlN-Puffer entwickelt, deren Detektionseffizienz (externe Quantenausbeute (EQE)) bei substratseitiger Bestrahlung mit 70% deutlich höher ist als bei elektrodenseitiger Bestrahlung (EQE ca. 10%) [1]. Hierzu muss jedoch eine gewisse, von der Absorberschichtdicke abhängige Schwellenspannung Uthr aufgewendet werden. Das beobachtete Schwellen- und Sättigungsverhalten der EQE (Abb. 1c) wurde anhand von 2D-Simulationsrechungen (ATLAS, Silvaco [2]) durch die effiziente Ladungsträgertrennung im Polarisationsfeld am AlGaN/AlN-Heteroübergang erklärt (Abb. 1d). Damit kommt dieser Region in der Absorberschicht eine besondere Rolle bei der Fotodetektion mit AlGaN-basierten MSM FD zu.

Die AlN-Pufferschicht wird in einem ersten Wachstumsschritt in einem speziell für AlN geeigneten Reaktor hergestellt. Wird dann eine 0,5 µm dicke AlGaN-Absorberschicht in einem zweiten Epitaxieschritt direkt auf diesem Puffer abgeschieden (altes Design, Abb. 3a oben), ergibt sich eine Schwellenspannung von ca. 22 V (Abb. 3b links). Wird dagegen vor der AlGaN-Absorberschicht noch eine zusätzliche dünne AlN-Zwischenschicht auf dem AlN-Puffer abgeschieden (neues Design, Abb. 3a unten), so sinkt die Schwellenspannung auf ca. 4 V. Hierfür werden elektrisch aktive Verunreinigungen wie Silizium verantwortlich gemacht, die sich vor dem zweiten Wachstumsschritt an der Oberfläche des AlN-Puffers befinden (Abb. 4). Ohne die zusätzliche AlN-Zwischenschicht wirkt die zum  AlGaN/AlN-Heteroübergang hin ansteigende Dichte ionisierter Si-Donatoren (positive Raumladung) der spannungsabhängigen Ausbreitung des elektrischen Feldes unter der Kathode entgegen und verursacht damit eine Verzögerung des Schwellen- und Sättigungsverhaltens der EQE. Wird diese Raumladung dagegen unter dem AlGaN/AlN-Heteroübergang vergraben, setzt das Schwellen- und Sättigungsverhalten gemäß des nun nahezu konstanten Dotierprofils im AlGaN-Absorber deutlich früher ein. Entsprechende Simulationsrechnungen bestätigen den experimentellen Trends für die Schwellenspannung qualitativ (Abb 3 b rechts).

Durch das neue Design konnten demnach UV-Fotodetektoren auf AlGaN-Basis mit einer Quantenausbeute von ca. 50% bei einer Vorspannung von nur 12 V erreicht werden.

Publikationen

[1] Moritz Brendel, Markus Helbling, Andrea Knigge, Frank Brunner, and Markus Weyers. Measurement and simulation of top- and bottom-illuminated solar-blind AlGaN metal-semiconductor-metal photodetectors with high external quantum efficiencies., Journal of Applied Physics, 118(24), 2015.

[2] Atlas device simulation framework, http://www.silvaco.com/.